【正文】 是就附上機械手，或為用戶安裝機械手提供條件。目前機械手在沖床上應用有兩個方面：一是 160t以上的沖床用機械手的較多。 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面，國內大批量生產的 3t、 5t、 10t 模鍛錘，其所配的轉底爐，用兩只機械手成一定角度布置早爐前，實現(xiàn)進出料自動化。 機械手的組成 [1] 工業(yè)機械手由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以 用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 （ 2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械 9 手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度?。ㄒ话阈∮? 2700） ,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。 （ 3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸 縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 驅動機構 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。采用齒輪機構 驅動機械手 ,適用范圍廣，瞬時傳動比恒定，效率高； 壽命長；結構緊湊，控制方便。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。 工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢 (1)工業(yè)機器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 萬美元降至 97 年的 萬美元。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機 。 (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化 。 (4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合 技術來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (6)當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。 (7)機器人化機械開始興起。我國的工業(yè)機器人從 80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人 。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其 工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如 :可靠性低于國外產品 :機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距 。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。其中最為突出的是水下機器人，6000m 水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種 :在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。 11 本文主要研究內容 本文研究了國內外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學習機械手的工作原理，熟悉了工業(yè)機械手的運動機理。進而運用 proe 軟件對機械手的手部及升降機構作了運動仿真分析。 本章小結 本章簡要的介紹了機械手的基本概念。 介紹了三維軟件 Pro/Engineer 的基本知識。 12 第二章 機械手的總體設計方案 本課題是輕型搬運機械手的設計。因此，在機械手的執(zhí)行機構、驅動機構是本次設計的主要任務，然后通過 proe 軟件對機械手的手部進行簡單的運動仿真。 本次設計采用垂直多關節(jié)型機械手，模擬了人類的手臂功能。手腕通常有 23 個自由度。它廣泛應用于代替人完成裝配作業(yè)、貨物搬運、電弧焊接、噴涂及點焊接等場合。 本次設計主要由 4 個大部件和兩個電動機及四個齒輪組成：（ 1）手部，采用電磁吸盤式，通過腕部的齒輪傳動，實現(xiàn)機構繞 y軸的仰俯運動；（ 2）腕部，是采用齒輪傳動，通過小臂上的電機齒輪傳動，實現(xiàn)仰俯運動；（ 3）臂部，采用步進電機，通過齒輪嚙合傳動實現(xiàn)仰俯運動；（ 4）機身，用一個圓盤底座，實現(xiàn)運動機構固定。根據(jù)動力源的不同 , 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。因此，機械手的驅動方案選擇機械式驅動。下面的設計計算將依次進行。 Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位， Pro/Engineer 作為當今世界機械 CAD/CAE/CAM 領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。 主要特性 Pro/E 第一個提出了參數(shù) 化設計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關性問題。 Pro/E 的基于特征方式，能夠將設計至生產全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設計。 Pro/E 采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 基于特征建模 Pro/E 是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。 PRO/INTERFACE Pro/INTERFACE 是一個完整的工業(yè)標準數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，提供 Pro/Engineer 與其它設計自動化系統(tǒng)之間的各種標準數(shù)據(jù)交換格式．它可用于 Pro/ENGINEER 幾何的輸入和輸出。 1． 二維和三維圖形： Pro/INTERFACE 提供了將 2D 和 3D 圖形通過 IGES4． 0或 SET 輸入到 Pro/ENGINEER 的繪圖模式里的能力，輸入后，正常制圖功能都是有效的。如果需要，可以覆蓋到非參數(shù)化的實體模型上。一旦輸入后，這些面可以被偏置和縫合在一起，及被其它曲面剪裁，它們也可以被用于構造一個實體模型 (見 Pro/SURFACE有關詳細描述 )。在 Pro/ENGINEER 內．如果有遺漏表面可以加上，并且整個表面模型也可 以覆蓋到一個非參數(shù)化的實體模型上。這樣用戶就可以將所有參數(shù)化特征附加到這“單一特征”上，當然該特征也能象其它任何 Pro/ENGINEER 修改。 2． RENDER：用于將 3D 模型信息輸出到著色程序。 4． NEUTRAL：用于輸出符合 Pro/ENGINEER 中間文件格式的特征、零件、部公差信息 。 6． PATRAN Geom；用于輸出符合 PATRAN 中間文件格式的零件幾何體數(shù)據(jù)。 8． SUPERTA BGeom：輸出符合用于輸入列 SUPERTAB 的 UNIVERSAL 文件格式的幾何體。 PRO/MOLD DESIGN Pro/MOL DESIGN 模塊用于設計模具部件和模板組裝，它包括如下功能： 1． 采用參照設計模型的方法，自動生成模具型腔幾何體。 3． 對復雜的多面 /注模，提供 Slider/CAMMED 移動功能。 5． 在模擬過程，采用干擾核查的方法支定度及模似模具開口及 Molding Ejection Sequence. 6． 備有 AC Technology 的 C— Flow/EZ 分析軟件，提供空腔沖填及 AIR TRAPPING 模擬、 Front、 ram 速度、 weld 線及流體速度 (Flow Velocity)。 8． 可生成摸具的特定功能，包括澆口 (Sprue)、澆道 (Runner)、澆槽 (Gates)、冷凝線 (cooling line)及分離線。 手部零件的設計 （ 1）應具有適當?shù)奈搅万寗恿Α? （ 2）要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。如圖 31 所示： 圖 31 電磁吸盤 手部零件設計的基本要求 （ 1）手指式 有兩指式和多指式，適用于各種機械加工的零件及組件的搬運。 （ 2）吸盤式 有空氣負壓吸盤和電磁吸盤，用于表面光滑的板材或具有曲線形狀的殼體零件。 17 機械手手部的設計計算 [3] 本設計是輕型搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：吸附重量為 5Kg。夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型：平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動 ,這種手指結構簡單 , 適于夾持平板方料 , 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置 , 其理論夾持誤差零 ；若采用典型的平移型手指 , 驅動力需加在手指移動方向上 ,這樣會使結構變得復雜且體積龐大。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體 ,適合用于本方案。 通過綜合考慮，本設計選擇電磁吸盤式手部設計，吸附鐵磁材料的板料或盤形零件。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性 能。 （ 2）結構考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 腕部的結構以及選擇 [4] (1) 具有一個自由 度的回轉驅動的腕部結構。腕部回轉，總力矩 M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用。 (2) 直齒輪驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。 它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。 18 腕部結構和驅動機構的選擇 本設計要求手腕回轉 0180 ，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的仰俯運動的腕部結構，采用齒輪傳動。 腕部的驅動力矩計算 （ 1）腕部的驅動力矩需要的力矩 M慣 。 吸附板料 25? 25mm,重量 5Kg，當手部擺動 0180 時，計算 力矩： （ 1） 手抓、手抓驅動及回轉轉動件（電磁吸盤）等效為一個圓柱體，高 為 220mm，直徑 120mm，其重力估算 G= 230 . 0 6 0 . 2 2 7 8 0 0 9 . 8 1 9 0G Kg m N Kg N?? ? ? ? ? ? （ 2） 摩擦力矩 ?摩 。 ? ?22M J J ????慣 工 件 啟 （ ） 查取轉動慣量公式有： 2 2 2 21 1 1 9 0 0 . 0 6 0 . 0 3 4 22 2 9 . 8 NJ M R N m s N m sN K g? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2 2 2 2 21 1 60 1 3 12 l R N m sg ?? ? ? ? ? ? ? ?工 件 代入： ? ? . 03 42 5. 01 25 552 0. 31 4M N m? ? ? ??慣 0 .1M M M M M? ? ? ?慣 摩 慣 19 55 N m? ? ? 機械手腕部三維軟件圖如圖 32 所示： 圖 32 機械手腕部三維軟件圖 腕部驅動力的計算 本次設計 機械手腕部采用齒輪傳動，通過小臂的步進電機驅動齒輪，傳遞給手腕上的齒輪，實現(xiàn)一定的傳動比。 手腕的齒輪設計： 分度圓直徑 d=mZ=*40=40mm， 基圓直徑 bd =mzcos? =, 齒頂圓直徑 ad =m（ z+2 *ha ） =42mm, 齒根圓直徑 fd =m（ z2 *ha 2*c ） =, 標準中心距 a= 21 m（ 1z + 2z )=66mm. 齒輪示意圖如圖